武安市礦山鎮(zhèn)鐵礦冒落塌陷分析與預(yù)測

宋鵬杰

【摘 要】通過對武安市礦山鎮(zhèn)鐵礦采空區(qū)可能冒落的總結(jié)分析，借助附近鐵礦的經(jīng)驗分析，對礦山鎮(zhèn)鐵礦未來開采可能出現(xiàn)的采空塌陷區(qū)進(jìn)行了分析預(yù)測。

【Abstract】Through summing up and analyzing the possible caving of goaf in the iron mine of Kuangshan town in Wuan city， and with the help of the empirical analysis of the nearby iron mine， the paper analyzes and forecasts the goaf subsidence area that may occur in the future mining of the iron mine in Kuangshan town.

【關(guān)鍵詞】采空區(qū)；冒落；塌陷區(qū)；預(yù)測

【Keywords】 goaf area； caving； subsidence area； predict

【中圖分類號】TD32 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）11-0151-02

1 礦區(qū)概況

礦區(qū)位于武安凹斷束北端，區(qū)內(nèi)地層總體產(chǎn)狀為北北東，傾向南東東，傾角一般為5～15°，局部較陡，區(qū)內(nèi)有一些小型的褶皺背斜與向斜；斷裂以正斷層為主，構(gòu)造線的方向北北東～北向為主，其次為北東東向。礦山鎮(zhèn)鐵礦為一埋藏較深、規(guī)模較大、品位較高的矽卡巖型磁鐵礦床。中關(guān)～礦山鎮(zhèn)背斜是區(qū)內(nèi)主要控巖、控礦構(gòu)造。礦區(qū)內(nèi)較厚礦體為Ⅰ-1、Ⅱ-1礦體，礦層傾角10～15°，局部45°左右。

2 采空區(qū)塌陷預(yù)測研究分析

地下礦層大面積采空后，礦層上部的巖層失去支撐，平衡條件破壞，使巖層塌落、彎曲，以致引起地面下沉變形。繼而形成移動盆地，移動盆地的邊界通常超出地下采空區(qū)的邊界范圍。本礦區(qū)鐵礦層直接頂板為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r，巖石多致密堅硬，在構(gòu)造有利部位裂隙極為發(fā)育。底部為閃長巖、蝕變閃長巖，較為堅硬，局部蝕變部位較破碎。

本區(qū)內(nèi)鐵礦體多呈透鏡狀、囊狀、條帶狀。較厚部位在ZK08、ZK06、CK10孔附近，鐵礦體呈透鏡狀，其直接頂板為磁縣組厚層大理巖，巖性堅硬完整，裂隙發(fā)育。由此我們可以參閱西石門鐵礦的塌陷情況。

采空區(qū)在上覆巖石自重應(yīng)力作用下，促使采空區(qū)頂板某一高度內(nèi)巖層發(fā)生破裂和冒落，由下往上分為冒落帶、裂隙帶、整體下沉帶[1]。冒落下來的巖石碎塊由于碎脹，體積有一定的增大，根據(jù)附近西石門鐵礦資料，碎脹系數(shù)取1.2，其中冒落帶高度可以用下列經(jīng)驗公式計算：

3 預(yù)測結(jié)果

地表塌陷坑深度等于采空區(qū)頂板冒落高度減去鐵礦層埋深，當(dāng)開采深度小于冒落帶高度時，地表就會產(chǎn)生塌陷。當(dāng)開采深度大于冒落帶高度而小于裂隙帶高度時，地表只產(chǎn)生裂縫。采空區(qū)地表塌陷坑四周及附近總有伴生裂縫相隨產(chǎn)生，塌陷坑一般呈橢圓形，當(dāng)采空區(qū)冒透地表時，地表的變形與破壞表現(xiàn)為在塌陷區(qū)的周邊形成許多間隔的斷裂線。約在ZK06、CK10孔周邊及ZK08孔周邊，在36600m2范圍內(nèi)預(yù)測采空后將會出現(xiàn)兩個主要塌陷坑，呈橢圓形，分別為：

預(yù)測1#塌陷坑：長軸約70m，短軸約40m，最大深度約為48.68m。預(yù)測2#塌陷坑：長軸約120m，短軸約75m，最大深度約為139.33m。該兩坑可能在此基礎(chǔ)向四周擴(kuò)展，尤其預(yù)測2#塌陷坑深度大，其擴(kuò)展較預(yù)測1#塌陷坑有更大空間。計算結(jié)果見表1。

4 采空區(qū)頂板冒落過程分析

根據(jù)采空區(qū)頂板巖性、空區(qū)狀態(tài)、空區(qū)頂部穹拱及采礦實踐，分析空區(qū)頂板冒落過程，主要包括以下4個階段：

初始冒落階段。采空區(qū)內(nèi)礦石采出后，頂板處于臨空狀態(tài)，在拉應(yīng)力的作用下，穹拱平衡被打破，巖體順節(jié)理擴(kuò)展、貫通，導(dǎo)致巖體破壞并在自重作用下自然崩落下來，形成新的穹拱。

間斷冒落階段。空區(qū)頂板塌陷后暴露面積不斷擴(kuò)大，更多巖體參與繼續(xù)順節(jié)理向上發(fā)展，不時發(fā)生冒落，穹拱在趨于平衡但達(dá)不到平衡的情況下向上發(fā)展，冒落范圍呈間斷性地擴(kuò)大，穹拱也呈間斷性向上擴(kuò)張。

地表冒落階段。當(dāng)空區(qū)頂板冒落接近地表時，穹拱頂部巖石隨臨空面積增大常常產(chǎn)生整體變形和破壞，周邊受剪應(yīng)力破壞常以突發(fā)形式呈大規(guī)模冒落，此時可能引發(fā)具有危害性的氣浪，同時造成穹拱被破壞。

擴(kuò)展下移階段?？諈^(qū)上部地表崩落后，周邊巖石逐漸向空區(qū)崩落、崩落下來的周邊巖石充填到空區(qū)，空區(qū)崩落邊界逐漸向外擴(kuò)展至達(dá)到新的平衡狀態(tài)采空區(qū)塌陷結(jié)束。

由此我們可以發(fā)現(xiàn)空區(qū)頂板的冒落形式：前期及后期主要是順節(jié)理或裂隙發(fā)展的以散體形式冒落，中后期是受周邊剪應(yīng)力影響而大規(guī)模的批量冒落。

5 結(jié)語

采空區(qū)地面塌陷是一個復(fù)雜的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力針對巖層的方向不斷變化、位置不斷變化的，且時間與空間不連續(xù)的變化過程，具有間斷性和突發(fā)性，并且與采空區(qū)頂板的巖性、構(gòu)造及裂隙發(fā)育程度有很大的聯(lián)系，也與冒落后形成的穹拱形狀有關(guān)[2]。但是地表塌陷總有伴生裂縫相隨且提前出現(xiàn)，地裂縫總沿一定方向延伸，在同一地點(diǎn)同一地區(qū)地裂縫延伸方向大致相同或相似。將來礦區(qū)可通過對采空區(qū)地表塌陷區(qū)的伴生裂縫裂隙研究分析觀測，能夠更加準(zhǔn)確地掌握塌陷區(qū)在具體時空上的發(fā)生發(fā)展變化。

在開采中應(yīng)根據(jù)采空區(qū)的空間形態(tài)大小規(guī)模采取適當(dāng)方法進(jìn)行提前預(yù)防，以阻止礦體頂板含水層石灰?guī)r裂隙的擴(kuò)展延伸而有可能引起的局部涌水量突然增大；同時還可避免塌陷后，塌陷坑地表處的兩個沖溝逢雨季時雨水灌入。根據(jù)不同情況可采取回填礦渣、噴漿支護(hù)、錨桿支護(hù)、錨噴支護(hù)、錨網(wǎng)支護(hù)等措施，避免并減少坍塌，降低地表出現(xiàn)塌陷坑的幾率，將危險系數(shù)盡力降低。

【參考文獻(xiàn)】

【1】清望，任鳳玉.西石門鐵礦南區(qū)采空區(qū)的冒落規(guī)律分析[J].中國礦業(yè)，2001 ， 10 （3） ：42-44.

【2】孟玉雙，趙偉，王春紅.鐵礦采空區(qū)冒落塌陷規(guī)律研究[J].采礦技術(shù)， 2009 ， 26 （1） ：19-20.